Актуальные исследования • 2022. №39 (118) Технические науки | 81
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
10.5281/zenodo.17209720
СЕРГЕЕВ Александр Сергеевич
исполнительный директор,
ООО «МегаСервис», Россия, г. Вологда
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЦЕЛЬНЫХ И СОСТАВНЫХ ВАЛОВ
В КОНСТРУКЦИИ КОНВЕЙЕРНЫХ РОЛИКОВ
Аннотация. В статье приведён сравнительный анализ цельной и составной конструкции вала конвей-
ерного ролика. Рассмотрены различия в массе, прочностных и демпфирующих характеристиках, а также
в производственной и экономической эффективности. Установлено, что составной вал обеспечивает
снижение массы, повышение устойчивости к нагрузкам и сокращение затрат за счёт использования
стандартных заготовок и автоматизированной сборки.
Ключевые слова: конвейерный ролик, вал, составной вал, цельный вал.
Введение
Чтобы повысить надёжность и снизить себе-
стоимость конвейерных роликов, нужно изме-
нить конструкцию основных деталей. Вал – са-
мая тяжёлая часть ролика. Он влияет на вес,
расход энергии и срок службы подшипников.
Обычно его делают из цельного металличе-
ского проката, чаще всего из калиброванного
круга. Такой подход сопровождается рядом
ограничений, так как цельный вал имеет высо-
кую стоимость и значительную массу. Кроме
того, допуски по ГОСТу допускают наличие
кривизны [1], которая на длинных роликах
приводит к заклиниванию подшипников и
ускоренному выходу ролика из строя. Также
цельный прокат обладает низкими демпфиру-
ющими свойствами и склонен к необратимой
деформации при кратковременных перегруз-
ках. Альтернативное решение – использование
составного вала. Полая конструкция снижает
массу, увеличивает сопротивление изгибу и по-
вышает устойчивость к ударным нагрузкам, а
применение автоматизированной сборки обес-
печивает высокую производительность и ста-
бильное качество. Производственные затраты
также снижаются за счёт использования более
доступных материалов.
Цель исследования – оценить эффектив-
ность применения составного вала в
конструкции конвейерного ролика. В задачи
входят: сравнение массы и стоимости различ-
ных конструкций, анализ механических харак-
теристик, оценка эксплуатационной надёжно-
сти и расчёт производственной целесообразно-
сти внедрения.
Объект исследования – вал конвейерного
ролика, обеспечивающий передачу вращения,
фиксацию подшипников и восприятие осевых
и радиальных нагрузок.
Конструкции и материалы валов
Конструкция и материал вала определяют
общую надёжность ролика, а также суще-
ственно влияют на его массу, динамическую
стабильность и себестоимость изготовления
[2]. В исследовании рассматриваются два вари-
анта исполнения: цельный вал из калиброван-
ного металлического проката и составной вал,
включающий полую трубчатую секцию и две
соединительные оси.
Цельный вал изготавливается из калибро-
ванного проката круглого сечения, обеспечива-
ющего требуемые параметры по диаметру и
шероховатости. Его основным преимуществом
является простота конструкции, не требующая
дополнительных сборочных операций [3]. Од-
нако применение такого проката сопряжено с
рядом технологических и эксплуатационных
ограничений. Во-первых, высокая стоимость
Актуальные исследования • 2022. №39 (118) Технические науки | 82
материала: цена одного килограмма калибро-
ванного круга составляет 110–120 рублей без
НДС, а стоимость стандартного горячекатаного
круга – 60–62 рубля за килограмм. Во-вторых,
кривизна цельного вала, допускаемая по ГОСТ,
становится критичной для роликов длиной
свыше 500 мм, так как приводит к заклинива-
нию подшипника в одном положении. Чем
выше степень кривизны, тем сильнее деформа-
ция и выше риск заедания, что нарушает требо-
вание свободного вращения вала и приводит к
быстрому выходу ролика из строя. Устранение
кривизны требует дополнительных операций
рихтовки, что увеличивает трудоёмкость изго-
товления. Кроме того, цельный вал имеет низ-
кие демпфирующие характеристики. При воз-
никновении ударных или двусторонних кон-
сольных нагрузок возможна остаточная дефор-
мация, которая не подлежит восстановлению и
приводит к заклиниванию и выводу ролика из
эксплуатации.
Разработанный составной вал сконструиро-
ван в соответствии с инженерными принци-
пами, применяемыми в конструкции полых
карданных валов. Конструкция включает три
элемента: два отрезка стандартного стального
круга с механической обработкой и участок
электросварной трубы. Сборка осуществляется
на специальном станке, где оси фиксируются в
цанговых зажимах и точно позиционируются
по одной оси. Трубчатая часть вваривается по
кругу, что позволяет снять сварочные напряже-
ния и обеспечить высокую прямолинейность. В
результате формируется единый вал с мини-
мальными отклонениями по осевому биению.
В качестве материалов используются стандарт-
ные доступные заготовки. Средняя стоимость
стального круга составляет 60–62 рубля за ки-
лограмм без НДС, трубы – 58–60 рублей за ки-
лограмм без НДС. Применение полой трубной
секции позволяет значительно снизить массу
вала по сравнению с цельным прокатом. Сни-
жение веса особенно ощутимо на роликах боль-
шой длины. При этом сохраняется достаточная
прочность и жёсткость благодаря перераспре-
делению нагрузок в сечении.
Сборка составных валов производится на
специализированных станках, разработанных
по техническому заданию предприятия. Один
оператор обеспечивает выпуск до 700 валов за
12-часовую смену. Производственный участок
оснащён двумя идентичными станками, что
обеспечивает резервирование и отказоустой-
чивость. Оснастка обеспечивает точное цен-
трирование элементов и стабильное качество
соединения.
Механические характеристики и эксплу-
атационные свойства валов
Рассмотрим сравнительный анализ механи-
ческих и эксплуатационных характеристик ва-
лов (табл.).
Таблица
Сравнительный анализ механических и эксплуатационных характеристик валов
Показатель
Цельный вал [4]
Составной вал
Сопротивление изгибу
Среднее
Повышенное при одинаковом весе
Устойчивость к ударной
и консольной нагрузке
Ограниченная, возможна оста-
точная деформация
Повышенная, за счёт упругой дефор-
мации
Демпфирующие свой-
ства
Слабовыраженные
Хорошо выражены
Надёжность при дли-
тельной работе под
нагрузкой
Зависит от качества проката и
обработки
Стабильная, распределённые напря-
жения
Крутильная жесткость
Высокое
Сопоставимое при надёжной сборке
Характер деформации
при перегрузке
Вероятна необратимая деформа-
ция
Плавная деформация, меньший риск
выхода из строя
Масса
Высокая
Существенно ниже при увеличении
длины
Полый трубчатый элемент, применяемый в
составной конструкции, обладает более выгод-
ными прочностными характеристиками при
меньшей массе. За счёт перераспределения ме-
талла к внешнему контуру поперечного сече-
ния достигается повышенное сопротивление
изгибу, что особенно актуально для роликов
значительной длины. При краткосрочных
ударных или консольных нагрузках составной
вал демонстрирует большую устойчивость к
остаточной деформации по сравнению с цель-
ным, поскольку трубная секция обладает
Актуальные исследования • 2022. №39 (118) Технические науки | 83
упругостью, способной частично гасить прило-
женное усилие. Это положительно сказывается
на сохранении геометрии и ресурсе ролика в
целом. В условиях динамической или вибраци-
онной нагрузки составной вал также обеспечи-
вает лучшие демпфирующие свойства. Это сни-
жает передачу вибраций на подшипниковые
узлы и способствует более равномерной работе
ролика при эксплуатации на высоких скоростях
или при транспортировке тяжёлых фракций. С
точки зрения износостойкости, составная кон-
струкция не уступает цельному исполнению.
Гладкая форма без участков повышенного
напряжения и равномерность распределения
нагрузок в трубной секции обеспечивают
устойчивость к многократным циклическим
воздействиям. На практике составные валы де-
монстрируют стабильные показатели при ра-
боте в стандартных режимах.
Показатели крутильной жёсткости у цель-
ного и составного вала сопоставимы, при усло-
вии корректного подбора посадок и обеспече-
ния надёжного соединения элементов. Исходя
из вышесказанного, составной вал сохраняет
функциональные характеристики, необходи-
мые для обеспечения передачи вращающего
момента без критических деформаций.
Экономическая оценка
Конструкция вала оказывает непосред-
ственное влияние на себестоимость ролика.
Использование калиброванного проката в кон-
струкции цельного вала приводит к значитель-
ным затратам на этапе закупки. Средняя стои-
мость проката составляет 110–120 рублей за
килограмм без НДС, при этом масса одного
вала достигает 3,2–3,5 кг. Таким образом, стои-
мость заготовки для цельного вала составляет
порядка 370–420 рублей. Дополнительно при
производстве длинномерных валов возникает
необходимость в рихтовке, что увеличивает
трудоёмкость и снижает производственную
эффективность. Отдельным фактором высту-
пает доля брака, связанного с кривизной про-
ката и нарушением соосности [5].
В составном варианте используется комби-
нация стандартного круглого проката и элек-
тросварной трубы. Средняя стоимость загото-
вок – 60–62 рубля за килограмм для круга и 58–
60 рублей за килограмм для трубы. Масса вала
составляет 2,1–2,3 кг. Общая стоимость мате-
риалов – 130–145 рублей. Изготовление тре-
бует выполнения токарной проточки, однако
сборка осуществляется в полуавтоматическом
режиме с высокой производительностью.
Рихтовка и дополнительная корректировка
геометрии не требуются.
Для обеспечения сборки составных валов
применяются специализированные станки,
разработанные по техническому заданию
предприятия. Стоимость одного станка состав-
ляет 3,5–4 млн рублей. Всего используется два
станка, что обеспечивает дублирование и отка-
зоустойчивость. Несмотря на существенные
капитальные затраты (около 7 млн рублей),
экономический эффект достигается за счёт
снижения стоимости металла и сокращения
операционных затрат. По производственным
расчётам, при выпуске роликов с составным ва-
лом в диапазоне диаметров от 320 до 1000 мм
оборудование окупается в течение одного года
при полной загрузке производственного
участка.
Также стоит отметить, что использование
стандартного проката и трубной продукции
даёт возможность гибко выбирать поставщи-
ков на открытом рынке. В отличие от калибро-
ванного проката, производимого ограничен-
ным числом предприятий, стандартные заго-
товки имеют широкую доступность и устойчи-
вое ценовое предложение. Это снижает логи-
стические риски и позволяет формировать
конкурентоспособную закупочную стратегию.
Заключение
Проведённое исследование подтвердило
техническую и экономическую целесообраз-
ность замены цельного вала в конструкции
конвейерного ролика на составной. Использо-
вание полой трубной секции в сочетании со
стандартным круглым прокатом позволяет су-
щественно снизить массу детали без потери
прочностных характеристик. Составной вал де-
монстрирует повышенное сопротивление из-
гибу и увеличенной нагрузке, улучшенные
демпфирующие свойства и стабильную работу
при циклических нагружениях.
С технологической точки зрения составной
вал обеспечивает более высокую производ-
ственную эффективность за счёт полуавтома-
тизированной сборки и отказа от трудоёмких
операций рихтовки. Снижение материалоём-
кости и переход к использованию доступных
стандартных заготовок позволяют суще-
ственно сократить себестоимость изделия. При
этом капитальные затраты на сборочное обору-
дование окупаются в краткосрочной перспек-
тиве.
Таким образом, внедрение составного вала
обеспечивает повышение надёжности,
Актуальные исследования • 2022. №39 (118) Технические науки | 84
снижение затрат и расширение производствен-
ных возможностей, что подтверждает практи-
ческую значимость предложенного решения.
Литература
1. ГОСТ 3325–85. Поля допусков и техни-
ческие требования к посадочным поверхно-
стям валов и корпусов. Посадки. – М.: Изда-
тельство стандартов, 1994.
2. Gulmi e G., Mane V., Pa el A., Kodle N.
Design and Analysis o Sha o Rolle Con eyo
wi h Di e en Ma e ials // In e na ional Resea ch
Jou nal o Enginee ing and Technology – 2020.
3. Смирнов В.К. Калибровка прокатных
валков: учеб. пособие для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по направле-
нию «Металлургия» – М.: Теплотехник, 2008.
4. Mo e A.S., Jawale P.V. A Re iew on
Ma e ials o Bel Con eyo Rolle Sha //
In e na ional Jou nal o Scien i ic Resea ch and
Technology – 2017.
5. Nelik L. Sha S aigh ening Me hods and
P ocedu es // Pumps & Sys ems – 2011.
SERGEEV Aleksand Se gee ich
Execu i e Di ec o ,
MegaSe ice LLC, Russia, Vologda
COMPARATIVE ANALYSIS OF SOLID AND COMPOSITE SHAFTS
IN CONVEYOR ROLLER DESIGN
Abs ac . The a icle p esen s a compa a i e analysis o solid and composi e sha designs used in con eyo
olle s. Di e ences in weigh , s eng h, damping p ope ies, as well as p oduc ion and economic e iciency a e ex-
amined. I is es ablished ha he composi e sha p o ides educed weigh , imp o ed load esis ance, and cos sa -
ings h ough he use o s anda d s ock ma e ials and au oma ed assembly.
Keywo ds: con eyo olle , sha , composi e sha , solid sha .
